COSMOSFloWorks在阀门流体分析中的应用

COSMOSFloWorks在阀门流体分析中的应用一、阀门产品开发中面临的挑战在传统阀门设计中主要依靠经验公式和对生产出的实物进行试验，那么会存在以下多方面的问题。1）阀门的性能参数必须依靠试验才能确定，阀门设计是否合格（或优劣）只有实物出来后通过试验才能确定，因此成本很高；2）蝶阀设计中蝶板形状的优劣无法判断和评估，如图1、图2所示，无法判断哪种情况好，也不敢进行创新设计；3）调节阀设计时无法确定开度与流量、压差的关系；4）流体作用在过流部件上的压力载荷无法求出；5）推动蝶阀的蝶板驱动载荷不能确定；6）不易进行过流部件的结构强度设计；7）整体结构经济性与安全性难以平衡；面对这么多的问题和挑战，传统的设计方法已经局限新型、大型阀门的设计，必须寻找一种全新的解决办法，年来CFD技术在国外阀门设计领域得到了广泛的使用。二、CFD概述20世纪50年代前，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析。前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能无力。20世纪70年代以来，计算流体动力学作为一种流体分析研究的数值模拟方法得以飞速发展起来，它同时也促进了实验研究方法、理论分析方法的发展和完善。目前，实验研究方法、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体动力学，简称CFD。近年来，CFD方法取得了很大的发展，计算准确、界面友好、使用简单。目前惟一和三维CAD无缝集成的CFD软件只有COSMOSFloWorks，它是同时面向分析专家和工程师的CFD软件，对于普通工程师具有简捷的操作界面和强大的分析功能，对于分析专家它又可以获得所有CFD软件的控制能力。三、用COSMOSFloWorks求解流体动力学问题的步骤1.建模CFD分析属于大型数值问题求解，为了缩短求解时间，模型应尽可能简化。由于阀后流体的流动比较复杂，为了避免出口界面上产生涡流并使计算结果收敛，阀前延伸管道长度一般应大于管道直径的n1倍，阀后延伸管道一般应大于管道直径的n2倍(n1、n2需根据实际情况确定)。COSMOSFloWorks能够自动查找封闭的空间并设定为计算区域，计算区域内实体与流体的识别也能自动完成。因此，研究对象的进口和出口应是封闭的。2.运行设置向导COSMOSFloWorks对于初始条件的设置提供了非常简捷快速的操作界面。首先运行设置向导，依次对units（单位制）→Fluidtype（流体或汽体）→physicalfeatures（层流或紊流）→Analysis(external外部流或internal内部流)→roughness（表面粗糙度）→selectfluids（选择waterSP，表示流体为一个标准大气压下的水）→defaultwallconditions（一般选Adiabaticwall，绝热墙）→ResultandGeometryResolution（设置结果和几何精度）。3.网格控制COSMOSFloWorks以基于笛卡尔坐标系的结构划分网格，并支持高级的局部网格控制，支持自适应网格划分。控制网格精度有两种方法，一种是在菜单中选择“initialmesh”进行网格的设置，在“automaticinitialmesh”选项打开的情况下，COSMOSFloWorks提供简单的选项来完成自动化的网格控制，如“Resultresolution”，“Minimumgapsize”，“Minimumwallthickness”，“Advancednarrowchannelrefinement”。当“Minimumwallthickness”的值大于“Minimumgapsize”时，“Minimumwallthickness”值不影响网格的结果。另一种网格控制的方法是局部的网格加密，在“localinitialmesh”中选中一个对象后，通过“Solid/FluidInterface”、“RefiningCells”和“NarrowChannelsResolution”设置局部的网格细分。本例经分割后，固体单元为32388个，流体单元为33367个。4.指定边界条件为使管道伯努力方程有解，入口侧和出口侧至少要各指定一个边界条件，常用的有以下两种：一侧指定压力，一侧指定流速或体积流量；二侧均指定压力。5.计算右键单击配置名，选择“Run”，就可以由系统开始计算，计算过程可以通过各种图形进行实时监视。四、流阻系数计算1.基础理论流阻系数用于表征物体对流体流动的阻力大小，是一个无量纲数。随着流速的加大，流体的流动状态将经历层流区、层流到紊流的过渡区、水力光滑区、水力粗糙区这几个状态，其中前面三个状态流阻系数ξ与雷诺数（Re）相关，是一个变值。当流体过渡到水力粗糙区，也就是阻力平方区后，流阻系数ξ与Re无关而成为一条水平线，压力损失△p与流速V的平方成比例，流阻系数只与相对光滑度r0/ε相关。因此，在流体工程领域，流阻系数定义为阻力平方区的常数值，流阻系数取值的前提条件是流态进入阻力平方区。判断的依据是：式中，ΔP为压差，ρ为密度，密度为kg/m3，流速为V，单位为m/s，△Pλ为沿程压力损失。其中ν为平均流速，l为管道长度，d为管道水力直径，ρ为密度，为管道沿程阻力系数。2.边界条件设阀门为全开(开度为90°)，流阻系数计算的边界条件是“阀前-阀后”定义一个差压，如图3所示；再计算收敛后的流量和流速，进行多组差压的计算，根据流体是否进入阻力平方区判断流阻系数。3.计算结果这是COSMOSFloWorks导出的一组数值结果，如图4所示。将这些结果整理后填入表1。可见，当阀前后压差等于2e5Pa时，流体已进入阻力平方区，这时的流阻系数基本稳定为一个常量。因此，流阻系数取为0.391。五、流通能力系数计算1.基础理论流量系数C（也称流量系数Kv）是指蝶阀在完全开启工况下，阀前后压差等于1bar时，温度在20℃时，流经蝶阀的最大流量。按照公式，其中，Q为流量，单位是m3/h，△P为阀前后压差，单位是bar，γ为介质密度，单位是kg/m3。2.边界条件边界条件的定义与流量系数C值的定义完全一致，即阀前阀后差压为1bar，设内壁所有过流面的表面粗糙度为Ra6.3μm，求各开度下的流量。3.计算结果定义90°为全开，分析结果见表2，流量系数C值与开度的关系如图5所示。六、阀门通道内流场分布取开度40。的位置为研究对象，研究COSMOSFloWorks的分析结果。阀门上侧和下侧有两个高速区，速度达到平均速度的4.4倍，图6为速度云图，图7为速度曲线，可见阀后流体的流动还不平稳。根据图8所示的压力云图，可见阀前后基本达到了平压的状态。通过研究不同开度的计算结果，可以分析出蝶阀的压力和速度变化过程。1）小开度（≤30°）流动比较复杂，涡流现象较严重；开度50°时流动已经比较平稳，但阀后出现局部涡流现象；开度≥60°时，流体已经比较平稳。2）从各开度的压力云图可以看到，开度≥40°后，阀前后已经基本平压。3）阀前近蝶板处由于流动受到阻碍，压力有些升高，过蝶板后压力降低。七、试验结果与仿真结果对比针对大多数工程师都存在关于数值计算与试验对比的习惯，经常会验证仿真分析的结果是否正确，误差有多少，如何解释误差等问题。以下针对我们实施的调节阀进行论述，分别比较试验结果与仿真分析结果的误差。图9是调节阀的水压和速度分布图，图10为当压差为0.1MPa时，开度与流量关系的实验数据与仿真数据对比，图11为开度是20%时，流量与压差关系的实验数据与仿真数据对比。尽管仿真结果与实验结果并不完全一致，存在几种原因：1）试验用阀门和仿真模型不一致(实际阀门存在加工误差)；2）开度的计算方法有差异；3）边界条件和试验条件不相同（测量取值点离阀门中心的距离，试验的局限性）；4）试验本身存在误差。因此，可以得出下列重要结论：1）CFD软件分析结果满足精度要求，可以用于阀门流场分析；2）分析方法和分析模板是正确的，可以用于类似产品的分析，减少样机甚至摒弃样机；3）试验数据与仿真数据之间有非常好的映射关系，根据仿真数据可以推出试验数据，并可以用于指导试验；4）可以用仿真分析在设计阶段验证产品的性能并进行优化设计，减少试验工作量和成本；5）仿真分析可以获得更多、更直观的数据，用来弥补试验的局限性。八、结论和展望该厂应用COSMOSFLoWorks软件以来，能自动识别层流与紊流、自动识别计算区域、自动生成流体网格和实体网格；同时其支持多个配置的强大功能，特别适用于参数化设计情况，可以进行多方案的比较分析而不必重新设定边界条件，从而能够简单、快速地计算出阀门的流体动力学特性。此外，流体分析的结果还可以导入结构分析中，进行流固耦合分析。因此，COSMOSFLoWorks软件完全满足阀门行业流场分析的要求，是一款非常优秀的CFD产品。由于COSMOSFLoWorks是CFD软件中惟一具有自动参数优化功能的软件，可以进行模型尺寸参数和流体参数的自动优化，可以帮助分析专家和设计工程师进行面向结果的优化设计，今后该厂将全面开展这方面的研究工作.